计及边界层汇流效应的多段翼型失速特性计算

 本文给出计及边界层汇流效应的多段翼型失速特性的解法。用高阶奇点分布面元法（Panel Method）求位流解,然后进行各翼段粘性尾迹形状迭代,并解出正常边界层和汇流边界层特性。当翼段上有后缘分离时,还要确定分离尾迹的形状,用位移厚度当量源（汇）模拟粘性效应。进行粘/位流迭代直至收敛。上述方法在超过多段翼型失速迎角时仍然有效。计算结果与实验数据比较,符合良好。     

脊状结构对翼型边界层分离特性影响大涡模拟研究

流动分离、湍流再附现象对翼型空气动力性能影响较大,为了改善翼型气动性能,研究了脊状结构对翼型边界层分离及尾迹速度的影响。采用数值计算方法,分别将脊状结构布置在NACA0018翼型的顺压梯度区(前段)和逆压梯度区(后段)内,分析了脊状结构对翼型边界层速度分布和尾迹速度分布的影响。研究结果表明:在迎角6°,来流速度为24m/s和12m/s下时,脊状结构前段布置时,翼型边界层分离点略有提前并且分离区域提前结束,其分离程度相对微弱。相比之下,脊状结构后段布置时,在推迟了边界层分离点的同时提前结束了边界层的分离区域,其尾迹速度亏损更小,亏损区域的面积也更小,边界层控制效果更为明显。两种脊状结构均可以有效的控制边界层的分离,缩小边界层分离区域的范围,减小尾迹速度损失。在翼型表面合理的布置脊状结构为翼型流动控制提供了新的思路。     

多段翼型缝翼前缘结冰大迎角分离流动数值模拟

应用基于SST(Shear-Stress-Transport)湍流模型的IDDES(Improved Delayed Detached Eddy Simulation)方法,对大迎角状态下多段翼型缝翼前缘典型角状冰引起的复杂分离流动进行了数值模拟研究。采用后台阶流动标准算例和干净无冰多段翼型分离流动算例对数值方法的可靠性和适用性进行了验证。缝翼结冰状态下的数值模拟结果表明:来流迎角较大时,前缘角状冰将会导致结构相对稳定的流动分离泡产生,分离泡的非定常尾迹会对主翼前缘附近流场产生较为强烈的干扰,抑制了缝道流动的加速效应,使得缝翼增升效率降低。在失速点附近,由于分离泡回流强度随来流迎角而增长,同时脱落旋涡的输运方向逐渐向远离壁面方向偏移,使得尾迹影响区域范围和强度均有所增加。     

翼型动态失速的数值研究

用不可压缩流动的求解算法，结合WilcoxDC提出的k－ω模式和k－ωSST湍流模式，对翼型的动态失速进行了数值模拟。通过对典型的振荡翼型轻失速和深失速算例的计算结果分析可以看出：（1）绕动态失速翼型的流场结构十分复杂，轻失速和深失速在流动特性上有很大区别。计算结果显示：轻失速主要是由于后缘分离引起，分离涡的影响范围主要是在后缘附近。而深失速则首先形成很大的前缘分离涡，该分离涡在翼型表面上运动，并诱发出二次分离涡，引起翼型升、阻力系数的显著变化。（2）对于动态失速的翼型绕流，k－ωSST湍流模式是较为有效的，计算出的气动力系数迟带曲线变化趋势与实验结果符合得比较好。     

低速粘性流动中翼型的气动特性计算

本文使用表面源汇法计算位流,然后用所得到的翼型表面上和尾迹中心线上的压力分布计算边界层和尾迹层,然后由边界层及尾迹与位流迭代计算得到低速粘性流动中翼型的气动特性。 算例计算结果与实验结果比较一致,本文的方法可用于飞机设计中翼型的选型计算,零升阻力计算及中等迎角以下的升力,阻力和力矩特性计算。 最后给出了用本方法设计的先进翼型NPU-100的实验结果,比较指出,采用新翼型将使亚临界短程飞机(对爬升特性要求较高)的气动性能得到重大改进。还指出,具有很宽低阻范围的NPU-100翼型也是良好的风机翼型。     

旋翼非定常动态失速的三维效应分析

采用建立的高精度计算流体动力学(CFD)方法,针对旋翼非定常动态失速的三维（3D）效应特性进行研究。以Helishape 7AD旋翼为基准,开展三维效应对旋翼非定常气动特性的影响分析。研究了来流马赫数对旋翼翼型动态失速特性影响。在此基础上,针对三维情形旋翼动态失速非定常涡流动特性及诱导分离特征开展了数值分析,通过与二维情形对比表明:受旋翼旋转、轴向诱导速度等三维效应影响,旋翼桨叶剖面动态失速涡的产生、对流和脱落明显滞后于二维翼型情形,并且涡强度也更弱。越靠近桨叶内段,桨叶剖面非定常动态失速特性与二维旋翼翼型情形的差距越为明显。      

多段翼型前缘缝翼位置的优化设计研究

本文讨论优化前缘缝翼位置的位流设计方法。优化变量为缝翼相对于主翼的缝隙(Gap)、覆盖量(Ouerlap)和偏角δ_s,目标函数为主翼上的压力峰值。应用高阶面元法计算多段翼型压强分布。用Powell优化法使主翼上压力峰值减至最小,以延迟多段翼型的失速,增大最大升力系数。本方法已用于计算NACA64A010两段和四段翼型以及Foster三段翼型,所得结果与实验数据和位流/边界层耦合设计法的结果有很好的一致性。     

多段翼型非定常地面效应数值模拟

发展了一种多段翼型着陆、起飞过程中非定常地面效应的数值模拟方法。针对着陆过程中翼型大位移运动问题,提出尽量保持翼型周围和尾迹区域网格随翼型做刚体运动的动网格策略,并采用一种简单的网格重构方法以保证翼型在整个下降过程中具有合理的网格分布。进一步建立起多段翼型非定常地面效应N-S方程计算方法,可应用于起降过程中多段翼型考虑非定常地面效应的实时数值模拟。NACA0012翼型和GAW-(1)两段翼型匀速下降过程的非定常升力计算结果均和相应准定常状态(下降速度折合为来流迎角)相吻合,说明了方法有效性。GAW-(1)两段翼型非定常和下降速度折合迎角加至翼型的准定常计算比较表明:多段翼型升力均随离地高度减小而降低,而非定常地面效应的影响随着离地高度的减小先小于准定常地面效应,而后有所增大。     

高升力下二维构型阻力准确测量研究

翼型风洞试验阻力测量常使用尾迹流场测量积分求取阻力的方法,但各积分公式均建立在一定的假设基础上,有一定适用范围。在多段翼型流场N-S方程数值模拟和风洞试验的基础上,研究高升力情况下低速风洞阻力精确测量技术。通过N-S方程数值模拟求解多段翼型绕流场,分析尾迹流场的特点和常规风洞试验阻力计算公式推导时所作假设,提出新的更为准确的型阻计算公式;利用多段翼型绕流的数值模拟结果,积分表面压力和摩擦力求得翼型的气动特性,并利用计算得到的尾迹流场信息按照常规和新提出的风洞试验型阻计算公式计算阻力,将三者进行比较,检验提出的新型阻计算公式的准确性;通过风洞试验检验数值模拟得到的流场特点和新型阻计算公式。研究表明：在高升力条件下,传统型阻计算公式有很大的局限性,必须进行改进;提出的考虑尾迹区流动特点的新型阻计算公式能够得到更准确的阻力值。     

椭圆形控制环量翼型气动力的计算

本文用边界层理论与计及分离尾迹影响的位流理论相结合的方法计算控制环量翼型的绕流,用离散涡模型模拟分离尾迹的影响。由上、下翼面分离点处引入离散涡。只是翼型附近尾迹中的离散涡可以自由移动。离翼型较远的离散涡假设为按来流速度移动。忽略射流出口上游的边界层对射流的影响。这些简化使本文的方法十分有效。与实验比较表明,本文的方法能较准确地计算出翼型的分离点位置和分离点前的压强分布。计算出的升力系数与射流动量系数的关系与实验相符很好。     

多级轴流压气机稳定性的数字模拟

本文基于有关试验的结果采用了一个“激盘-滞后-容积”模型作为压气机级的物理模型,以代替近年来常用的“激盘-集聚容积”模型。为了比较,在数字机上分别用这两种模型预算了一台多级轴流压气机的失速线。模拟的证实除了和部件试验结果比较外,还专门在发动机试验台上作了逼喘试验。结果表明,用新模型得出的失速线和全台试验得出的几个失速点很接近,而用旧模型预算的失速线恰位于部件失速线的右下方。这种过早预示工作不稳定的情况,在前人所作的稳定性模拟中也可以发现,这表明新模型改进了模拟效果。 在模拟稳定性的同时,也模拟了非设计工况下级间的相互匹配,所得的等转速线和试验数据也较符合。     

轮毂处理扩稳的机理探讨

在单级轴流压气机上,用周向槽式处理机匣在静子内径处进行轮毂处理,与转子尖部机匣处理作类比。用小型5孔探针测试技术详细测量了在最佳工作状态和近失速边界状态下静子叶片排下游气流的三元流场,特别是其端部流场,发现对于转子叶尖失速型的级,在其静子轮毂处理也可以提高级的稳定裕度。并提出其扩稳机理与失速转移的关系,提出了周向诱导速度影响二次流的物理模型,进一步剖析了周向槽机匣处理的扩稳机理。     

用失速参数获取压气机轴对称流特性的研究

本文提出了以旋转失速参数来获取轴流式压气机轴对称流特性的新方法。此法在原理上与用喘振参数的K·G法不同,但更易使用,并且应用范围更广。      

叶片盘的旋转失速振动响应分析

稳定气动力状态下的叶片盘的模型由连续系统组成。利用弹性和波动理论以获得叶片盘响应。响应是带有波动模态阻尼的模态解。由模态解,可以得到共振相对转速的表示方法和解释试验中的某些现象,此外,讨论了在气流稳定和失速状态下的广义共振情况。最后得出的结论是:在均匀稳定气流中不出现波动响应,但在失速流动下,波动响应呈随机的波动振动,而此时不产生驻波共振。     

压气机旋转失速的一个气动声学模型

 根据广义Lighthill方程建立了压气机旋转失速的气动声学模型。提出了一种应用声学方法获取压气机旋转失速特征参数(旋转失速传播速度、数目)的新途径并结合试验结果进行了具体的分析。此外,在简化假设下,用数值法分析了旋转失速特征参数对声音幅值变化的影响。     

飞机迎角的校准及测量

本文首先叙述了迎角传感器空中校准的必要性和常用校准方法,简要介绍了各种常用空中校准方法的原理及其优缺点。实践表明利用静姿态角法阳参数辨识法相结合进行迎角空中校准,在一定范围内是切实可行的。但在大迎角及失速飞行中因非线性带来的一些问题大大增加了校准的难度。本文针对这一事实提出了用直接测定姿态角加计算航迹角间接确定飞机迎角的方法,解决了Y—7飞机失速试飞中的迎角测量问题。实践表明,该方法可以推广用于一般民用飞机的迎角测量。     

带机匣处理的轴流压气机过失速性能的研究

 针对一种可提高压气机裕度而又不牺牲效率的新型机匣处理,实验研究了亚音速单级轴流压气机孤立转子机匣处理前后的过失速性能,借助于压缩系统的一维逐级可压流数学模型,发展了一种可用于带机匣处理的压气机过失速性能预测程序,并用它解释了机匣处理后转子所特有的失速现象。     

低速发动机短舱压强分布计算

应用第二代面元法对发动机短舱的压强分布进行了计算。计算结果表明其精确度与第一代高阶面元法相当;并可避免第一代面元法计算内流时出现的“泄漏”(leakage)问题。该方法具有节省机时和便于复杂外形应用的特点。     

多发螺旋桨飞机动力失速动态特性理论计算方法研究

本文针对多发螺旋桨飞机的特点,推导出用于分析多发螺旋桨飞机动力失速动态特性的计算方程,并用此方程研究了此类飞机带动力的失速动态特性,计算结果与飞行结论相符。 文中提出的理论计算方法,较全面地考虑了螺旋桨飞机所特有的动力效应,因此较准确地反应了多发螺旋桨飞机的动力失速特性。所以,它除了能分析多发螺旋桨飞机的动力失速外,对于研究飞机动力失速的全数字实时仿真和研究失速/尾旋飞行模拟器也有一定的参考价值。